Dividir las moléculas de agua para un futuro de energía renovable

Nueva técnica para reensamblar, revivificar y reutilizar un catalizador

09.09.2020 - Estados Unidos

La economía futura basada en fuentes de energía renovables y sostenibles podría utilizar coches con baterías, granjas solares y eólicas a gran escala, y reservas de energía almacenadas en baterías y combustibles químicos. Aunque ya hay ejemplos de fuentes de energía sostenible en uso, los avances científicos y de ingeniería determinarán el calendario para su adopción generalizada.

Un paradigma propuesto para alejarse de los combustibles fósiles es la economía del hidrógeno, en la que el gas de hidrógeno alimenta las necesidades eléctricas de la sociedad. Para producir en masa gas de hidrógeno, algunos científicos están estudiando el proceso de dividir el agua - dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno - lo que resultaría en combustible de hidrógeno y gas de oxígeno respirable.

Feng Lin, un profesor asistente de química en el Colegio de Ciencias de Virginia Tech, se está enfocando en la investigación del almacenamiento y conversión de energía. Este trabajo es parte de un nuevo estudio publicado en la revista Nature Catalysis que resuelve una barrera clave y fundamental en el proceso de separación electroquímica del agua, en el que el laboratorio de Lin demuestra una nueva técnica para reensamblar, revivificar y reutilizar un catalizador que permite una separación eficiente de agua. Chunguang Kuai, un antiguo estudiante graduado de Lin, es el primer autor del estudio con Lin y co-autores de los estudiantes graduados en química Zhengrui Xu, Anyang Hu, y Zhijie Yang.

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La idea central de este estudio se remonta a una asignatura de las clases de química general: los catalizadores. Estas sustancias aumentan la velocidad de una reacción sin consumirse en el proceso químico. Una forma en que un catalizador aumenta la velocidad de reacción es disminuyendo la cantidad de energía necesaria para que la reacción comience.

El agua puede parecer básica como una molécula formada por sólo tres átomos, pero el proceso de división es bastante difícil. Pero el laboratorio de Lin lo ha hecho. Incluso mover un electrón de un átomo estable puede ser intensivo en energía, pero esta reacción requiere la transferencia de cuatro para oxidar el oxígeno y producir gas de oxígeno.

"En una celda electroquímica, el proceso de transferencia de cuatro electrones hará que la reacción sea bastante lenta, y necesitamos tener un nivel electroquímico más alto para que esto ocurra", dijo Lin. "Con una mayor energía necesaria para dividir el agua, la eficiencia a largo plazo y la estabilidad del catalizador se convierten en retos clave".

Para satisfacer ese alto requerimiento de energía, el Laboratorio de Lin introduce un catalizador común llamado hidróxido de hierro y níquel mezclado (MNF) para bajar el umbral. Las reacciones de división del agua con MNF funcionan bien, pero debido a la alta reactividad del MNF, tiene una vida útil corta y el rendimiento catalítico disminuye rápidamente.

Lin y su equipo descubrieron una nueva técnica que permitiría el reensamblaje periódico al estado original del MNF, permitiendo así que el proceso de separación del agua continúe. (El equipo utilizó agua dulce en sus experimentos, pero Lin sugiere que el agua salada - la forma más abundante de agua en la Tierra - podría funcionar también).

El MNF tiene una larga historia con los estudios de energía. Cuando Thomas Edison manipuló las baterías hace más de un siglo, también utilizó los mismos elementos de níquel y hierro en las baterías con base de hidróxido de níquel. Edison observó la formación de gas de oxígeno en sus experimentos con hidróxido de níquel, lo cual es malo para una batería, pero en el caso de la división del agua, el objetivo es la producción de gas de oxígeno.

"Los científicos se han dado cuenta durante mucho tiempo que la adición de hierro en la red de hidróxido de níquel es la clave para el aumento de la reactividad de la división del agua." Kuai dijo. "Pero bajo las condiciones catalíticas, la estructura del MNF prediseñado es altamente dinámica debido al ambiente altamente corrosivo de la solución electrolítica".

Durante los experimentos de Lin, el MNF se degrada de una forma sólida a iones metálicos en la solución electrolítica, una limitación clave para este proceso. Pero el equipo de Lin observó que cuando la célula electroquímica pasa del alto potencial electrocatalítico a un bajo potencial reductor, sólo por un período de dos minutos, los iones metálicos disueltos se vuelven a ensamblar en el catalizador ideal para el MNF. Esto ocurre debido a una inversión del gradiente de pH dentro de la interfaz entre el catalizador y la solución electrolítica.

"Durante el bajo potencial de dos minutos, demostramos que no sólo conseguimos que los iones de níquel y hierro se vuelvan a depositar en el electrodo, sino que los mezclamos muy bien entre sí y creamos sitios catalíticos altamente activos", dijo Lin. "Esto es realmente excitante, porque reconstruimos los materiales catalíticos a escala de longitud atómica dentro de una interfaz electroquímica de unos pocos nanómetros".

Otra razón por la que la reforma funciona tan bien es que el Laboratorio de Lin sintetizó el novedoso MNF en forma de láminas delgadas que son más fáciles de reensamblar que un material a granel.

Validar los hallazgos a través de los rayos X

Para corroborar estos hallazgos, el equipo de Lin realizó mediciones de rayos X de sincrotrón en la Fuente de Fotones Avanzados del Laboratorio Nacional de Argonne y en la Fuente de Radiación de Sincrotrón de Stanford del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC. Estas mediciones utilizan la misma premisa básica que los rayos X comunes de hospital, pero a una escala mucho mayor.

"Queríamos observar lo que había sucedido durante todo este proceso", dijo Kuai. "Podemos usar imágenes de rayos X para ver literalmente la disolución y redeposición de estos hierros metálicos para proporcionar una imagen fundamental de las reacciones químicas."

Las instalaciones de sincrotrón requieren un bucle masivo, similar al tamaño del Drillfield en Virginia Tech, que puede realizar espectroscopia de rayos X e imágenes a altas velocidades. Esto proporciona a Lin altos niveles de datos en las condiciones de funcionamiento catalítico. El estudio también proporciona información sobre una serie de otras importantes ciencias de la energía electroquímica, como la reducción de nitrógeno, la reducción de dióxido de carbono y las baterías de zinc-aire.

"Más allá de las imágenes, numerosas mediciones espectroscópicas de rayos X nos han permitido estudiar cómo los iones metálicos individuales se unen y forman grupos con diferentes composiciones químicas", dijo Lin. "Esto realmente ha abierto la puerta para sondear las reacciones electroquímicas en entornos de reacción química reales".

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.